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2018-03-19 【3D列印快訊】SLS 3D列印技術(shù)介紹

【3D列印快訊】SLS 3D列印技術(shù)介紹

在本次的SLS 3D列印介紹中，我們將帶領(lǐng)各位了解關(guān)於雷射粉末燒結(jié)技術(shù)的基本原理。閱讀本文後，您將了解SLS過程的基本機(jī)制，以及這些過程的優(yōu)點(diǎn)和其限制。在此之前，先來看一看它是如何運(yùn)作的：（延伸閱讀：新手入門：常見3D列印技術(shù)比較及原理）

目錄

什麼是SLS？

選擇性雷射燒結(jié)（SLS）是屬於粉末床熔化家族的增材製作工法。在SLS中，雷射光選擇性地?zé)Y(jié)聚合物粉末的顆
粒，將它們?nèi)酆显谝黄饋K逐層建造零件。SLS中使用的材料是顆粒狀熱塑性聚合物。
SLS用於功能性聚合物零件的原型製造和少量生產(chǎn)，因?yàn)樗峁┓浅８叩脑O(shè)計(jì)自由度、高精準(zhǔn)度，並生產(chǎn)具有良好
一致機(jī)械性能的部件，不同於FDM或SLA技術(shù)。只有當(dāng)設(shè)計(jì)師考慮到其主要優(yōu)點(diǎn)和限制時(shí)，才能充分利用此技術(shù)
的功能。

SLS列印過程

SLS如何運(yùn)作?

以下是SLS製造過程的工作原理：
I.首先將粉末箱和列印區(qū)域加熱到剛好低於聚合物的熔化溫度，並且使用刀片重新塗散薄層粉末在列印平臺上。
II.然後CO2雷射光會接著掃描下一層的輪廓並選擇性地?zé)Y(jié)（熔合在一起）聚合物粉末的顆粒。掃描組件的整個(gè)橫
截面，將此塊變固化。
III.當(dāng)此層完成時(shí)，列印平臺會向下移動(dòng)，刀片會重新覆蓋表面。然後會不斷重複此過程，直到整個(gè)部分完成。

當(dāng)列印完成後，零件會完全封裝在未燒結(jié)的粉末中，粉末箱必須冷卻下來後才能將它打開。這會需要相當(dāng)長的時(shí)間
（長達(dá)12小時(shí)）。之後再用壓縮的空氣或其他爆破介質(zhì)來清潔零件，並準(zhǔn)備使用或進(jìn)一步後處理。剩餘的未燒結(jié)
粉末可以收集起來，重複使用（SLA粉末只有50％可回收利用）。

SLS列印機(jī)的原理圖

SLS的特色

列印機(jī)參數(shù)

在SLS中，幾乎所有的工業(yè)參數(shù)都是由機(jī)器製造商所預(yù)設(shè)。使用的預(yù)設(shè)層厚為100-120 microns。SLS的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)
勢在於它不需要支撐結(jié)構(gòu)。未燒結(jié)的粉末會為零件提供所有必要的支撐。
基於此原因，SLS可創(chuàng)造出其他製成方式都無法達(dá)成的自由幾何形狀。
使用SLS列印時(shí)，整個(gè)列印量非常重要，特別是小量生產(chǎn)。
一個(gè)給定高度的箱子列印的時(shí)間大致相同，與包含的零件數(shù)量無關(guān)。
因?yàn)橹貕T步驟決定總處理時(shí)間（雷射光掃描會非常快速地發(fā)生），而且機(jī)器必須循環(huán)通過相同數(shù)量的每一層。
裝箱可能會影響小訂單的交貨時(shí)間，因?yàn)椴僮魅藛T通常會在等到裝滿箱子才會開始列印。

層間附著力

在SLS中，層間的結(jié)合強(qiáng)度非常好。
這表示SLS列印零件幾乎具有各向同性的機(jī)械性能。使用標(biāo)準(zhǔn)聚酰胺粉末（PA 12或尼龍12）
（SLS中最常用的材料）列印的SLS樣品的機(jī)械性能顯示在下表中，並與本體尼龍的性能進(jìn)行比較。

	X-Y方向	Z方向	散裝PA12
拉伸強(qiáng)度	48 MPa	42 MPa	35 - 55 MPa
拉伸模量	1650 MPa	1650 MPa	1270 - 2600 MPa
斷裂伸長率	18%	4%	120 - 300%

SLS零件具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和模量，與散裝材料相當(dāng)，但更脆（它們的斷裂伸長率比較高）。
由於是最後零件的內(nèi)部孔隙。

典型的SLS列印零件約為30％的多孔性。

多孔性讓SLS零件具有顆粒狀表面。這也表示SLS零件可以吸收水分，因此它們可以在熱水中輕鬆染上各種顏色，
但若要在潮濕的環(huán)境中使用，就需要特殊的後處理。

多種顏色的染色SLS零件。它們的多孔性讓它成為熱水染色的理想選擇

收縮和翹曲

SLS零件容易收縮和翹曲：隨著新燒結(jié)層冷卻後，其尺寸會變小且聚集內(nèi)部壓力，將底層向上拉
SLS的典型收縮率為3％至3.5％，機(jī)器操作人員會在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段將此考慮在內(nèi)，並調(diào)整相應(yīng)的設(shè)計(jì)尺寸。

大平面最容易彎曲。這個(gè)問題可以通過在列印平臺中垂直定向零件來解決，但最佳做法是創(chuàng)造最小厚度的平坦區(qū)域
並設(shè)計(jì)引入切口來減小體積。這種方式由於使用的材料較少，也同時(shí)減少了零件的總成本。

過度燒結(jié)

熱輻射會將特徵周圍的未燒結(jié)粉末，在熔化時(shí)發(fā)生過度燒結(jié)。可能會導(dǎo)致小細(xì)節(jié)（如插槽和孔洞）的遺失。
過度燒結(jié)取決於特徵的尺寸和壁厚。例如，0.5mm寬的插槽或1mm直徑的孔能成功列印在2mm厚的薄壁上，但是當(dāng)
壁厚為4mm或更大時(shí)，這些特徵就會消失。
以經(jīng)驗(yàn)而言，可以在SLS中列印寬度超過0.8mm的插槽和直徑大於2mm的孔，而不用擔(dān)心燒結(jié)過度。

去除粉末

由於SLS不需要支撐材料，因此可以輕鬆而精準(zhǔn)地列印具有空心截面的零件。
由於使用的材料較少，空心的部分可以減少零件的重量和成本。
需要?dú)饪讈砬宄慵?nèi)部的未燒結(jié)粉末。建議在設(shè)計(jì)中增加至少2個(gè)直徑不小於5mm的氣孔。
若需要高剛性，則零件必須完全列印固化。另一種方法是製作一個(gè)孔洞的設(shè)計(jì)來省略氣孔。
這種方式是將緊密包埋的粉末放入零件中，增加其質(zhì)量並為機(jī)械負(fù)載提供一些額外的支撐，而不會影響列印時(shí)間。
可以將內(nèi)部蜂窩格子結(jié)構(gòu)加到空心的內(nèi)部（類似於FDM中使用的填充圖形）以進(jìn)一步增加零件的剛度。透過這種方式
挖空一部分也可以減少翹曲。

去除SLS零件上的粉末

常見的SLS材料
使用最廣泛的SLS材料是聚酰胺12（PA 12），也稱為尼龍12。每公斤PA 12粉末的價(jià)格大約為50-60美元。
其他工程熱塑性塑料，如PA11和PEEK也可使用，但較沒有廣泛的使用。
聚酰胺粉末可以填充各種添加劑（如碳纖維，玻璃纖維或鋁），以改善生產(chǎn)SLS零件的機(jī)械和熱性能。填充添加劑的
材料通常會更脆，並可能具有高度的各向異性行為。

材料	特性
聚酰胺12（PA 12）	+良好的機(jī)械性能 +良好的耐化學(xué)性 -啞光、粗糙的表面
聚酰胺11（PA 11）	+完全各向同性的行為 +高彈性
鋁填充尼龍（Alumide）	+金屬外觀 +高剛度
玻璃纖維填充尼龍（PA-GF）	+高剛度 +高耐磨和耐高溫 -各向異性行為
碳纖維填充尼龍（PA-FR）	+優(yōu)異的剛性 +高重量 - 強(qiáng)度比 -高度各向異性

後處理
SLS零件生產(chǎn)的粉末狀顆粒表面塗層易於著色。
使用介質(zhì)拋光、染色、噴漆和塗漆等各種後處理方法，可以讓SLS列印零件的外觀提升至相當(dāng)高的標(biāo)準(zhǔn)。
它們的功能性還可以藉由防水塗層或金屬鍍層來增強(qiáng)。

SLS的優(yōu)點(diǎn)和其限制

此技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)概述如下：
+SLS零件具有良好的各向同性機(jī)械性能，使其成為功能部件和原型的理想選擇。
+SLS不需要支撐，因此可以輕鬆生產(chǎn)具有複雜幾何圖形的設(shè)計(jì)。
+SLS的製造能力非常適合中小量生產(chǎn)。
-目前只有工業(yè)SLS系統(tǒng)被廣泛使用，所以交付時(shí)間比其他3D列印技術(shù)（如FDM和SLA）更長。
- SLS零件具有顆粒狀表面和內(nèi)部孔隙度，如果需要光滑表面或防水性，可能需要後處理。
-SLS不能準(zhǔn)精列印大平面和小孔，因?yàn)槿菀装l(fā)生翹曲和過度咬合。

下表總結(jié)了SLA的主要特點(diǎn)：

	選擇性雷射光燒結(jié)（SLS）
材質(zhì)	熱塑性塑料（通常為尼龍）
尺寸精度	±0.3％（下限±0.3 mm）
典型的列印尺寸	300 x 300 x 300 mm (高達(dá)750 x 550 x 550 mm)
普通層厚	100 - 120 microns
支撐	不需要

經(jīng)驗(yàn)法則

SLS可以生產(chǎn)大量工程塑料的功能零件，最常見的是尼龍（PA12），完成零件能表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能和各向性運(yùn)動(dòng)；對於有特殊要求的組件，可用添加劑填充PA粉末。

參考資料

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